特異表面的異常折射特性研究分析論文
特異材料自2001年被D.R.Smith研究組實驗驗證以來，由于其奇特的物理特性和重要的應用價值而受到了廣泛的關注。特異材料作為一種人工復合微結構材料，可通過調節(jié)結構單元的參數(shù)，實現(xiàn)任意調控電磁波的目的，如負折射,電磁隱身、超強荊合、共振隧穿、亞波長成像等而這些物理現(xiàn)象通常是用正常材料無法實現(xiàn)的。近幾年，為了減少損耗提高特異材料的工作效率，人們提出了一種二維平面陣列式特異材料，由于其厚度遠小于工作波長，因此被稱為特異表面。Camass研究組通過對結構單元的精心設計，可實現(xiàn)波束傳播方向的任意調控，從而改寫了斯涅爾折射定律;周磊研究組利用特異表面將傳播波轉化為表面波， S.Zhang研究組設計了三維全息圖和偏振相關的透鏡;另外還有一些波帶片等光學器件的應用研究。特異表面的這些物理特性的理論依據(jù)是人射電磁波與結構單元的共振機制，從而能夠在亞波長尺度對人射電磁波進行調制，實現(xiàn)對波束的任意裁剪和整形，與最初的特異材料相比較，這種超薄二維陣列結構材料，不僅能夠實現(xiàn)負折射等奇特的物理現(xiàn)象，還具有體積小、加工簡便、性能穩(wěn)定的特點，在實際應用中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
特異表面的物理特性由結構單元的幾何參數(shù)、材質和周期決定，因而研究各種不同的結構單元對于實際應用具有重要的價值。本文設計了一個偏振選擇特異表面，采用FDTD算法對比研究了偏振和相位分布對電磁波透射電場的影響和變化規(guī)律。
1普遍情況下的斯涅爾折射定律
根據(jù)天線理論，當電磁波照射到金屬結構上時，金屬內部的自由電子會受外界電場影響產(chǎn)生共振電磁場，該電磁場相對于人射電磁波有一定的相位延遲和響應效率。當金屬結構的尺寸小于響應波長時，可近似看作金屬結構對人射電磁波進行了振幅和相位調制。若將相位延遲或響應效率按照一定的規(guī)律排列，則可實現(xiàn)對光束傳播方向和波矢的定量調控。由于這種共振響應在傳播方向上可做到超薄，因此原折射定律需要改寫為普遍情況下的折射定律:可知，透射光的傳播方向或波前是由各點的相位延遲分布決定的，因此通過改變相位分布，則可實現(xiàn)波束的調控。
特異表面的結構單元對電磁場的響應特性與人射波的偏振、人射角等因素有關。對于圓偏振光而言，其垂直透射偏振的相位與結構單元的方位角有關，該相位被稱為Berry相位。依據(jù)此理論設計了金屬環(huán)和金屬棒的組合結構單元:其中，金屬環(huán)的`半徑和寬度為:金屬棒的長度和寬度改變過金屬棒的方位角可實現(xiàn)透射垂直偏振的相位變化量，且相位變化的正負受人射光的旋向控制。采用圓環(huán)結構，有助于減少各結構單元之間的藕合。
2透射電場分布情況分析
為了對比相位分布結構和人射光偏振態(tài)對透射波電場分布的調制規(guī)律，分別采用5個結構4個結構單元實現(xiàn)的相位延遲，采用不同的人射圓偏振光，分別觀察透射光的傳播方向和電場分布情況。
復合結構周期，當人射光為左旋圓偏振光(右旋圓偏振光)，改變結構單元的方位角，與水平方向的夾角依次遞增中左旋圓偏振光自上而下，垂直人射到界面處，受特異表面內結構單元的相位調制，共振產(chǎn)生新的電磁波，新電磁波包括向上和向下傳播的分量，向上部分與反射波疊加到一起形成雜亂的干涉場，而透射部分受原場的影響小，其傳播特性可定量控制，方向發(fā)上了改變。同樣是利用該特異表面，換用右旋圓偏振光照射。
3結論
本文提出了一種偏振選擇特異表面，當人射光的偏振狀態(tài)不同是，其透射垂直偏振態(tài)分量的折射角相反;通過調節(jié)相位變化梯度，得到極限情況下最大折射角。研究結果可用于設計偏振選擇表面和定量調控折射角度。
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